半导体材料

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1、第一章 半导体材料学号：201120193023 姓名：张月 班级：sj1124半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类:1. 元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50 年代，锗在半导体中占主导地位，但锗 半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60 年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半 导体器件，耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。因此，硅已成为应用最多 的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2. 化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多，重要 的有砷化镓、磷化铟、锑化铟、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件

2、和 集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好，在航天技术领域 有着广泛的应用。3. 无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻 璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用 来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4. 有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一 些芳香族化合物等。半导体材料的制备 :半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂 质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光 学的平面，并达

3、到许多机械及清洁度的规格要求。制造IC级的硅晶圆分四个阶段进行：a. 矿石到高纯气体的转变；b. 气体到多晶的转变；c. 多晶到单晶，掺杂晶棒的转变；d. 晶棒到晶圆的制备。半导体制造的第一个阶段a.是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。提纯从化学反应 开始。对于硅，化学反应是矿石到硅化物气体，例如四氯化硅或三氯硅烷。杂质，例如其他 金属，留在矿石残渣里。硅化物再和氢反应生成半导体级的硅。这样的硅的纯度达 99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。它有一种称为多晶或多晶硅的晶体结构。制造半导体前，必须将硅转换为晶圆片。这要从硅锭的生长开始。单晶硅是原子以三维 空间模式周期形成的固体，这种

4、模式贯穿整个材料。多晶硅是很多具有不同晶向的小单晶体 单独形成的，不能用来做半导体电路。多晶硅必须融化成单晶体，才能加工成半导体应用中 使用的晶圆片。加工硅晶片 生成一个硅锭要花一周到一个月的时间，这取决于很多因素， 包括大小、质量和终端用户要求。超过 75%的单晶硅晶圆片都是通过 Czochralski (CZ) 直 拉法生长的。CZ硅锭生长需要大块的纯净多晶硅将这些块状物连同少量的特殊III、V族元 素放置在石英坩埚中，这称为搀杂。加入的搀杂剂使那些长大的硅锭表现出所需要的电特性。 最普通的搀杂剂是硼、磷、砷和锑。因使用的搀杂剂不同，会成为一个P型或N型的硅锭 (P 型 / 硼， N 型

5、/ 磷、锑、砷)，然后将这些物质加热到硅的熔点-摄氏 1420度之上。 一旦多晶硅和搀杂剂混合物熔解，便将单晶硅种子放在熔解物的上面，只接触表面。种子与 要求的成品硅锭有相同的晶向。为了使搀杂均匀，子晶和用来熔化硅的坩埚要以相反的方向 旋转。一旦达到晶体生长的条件，子晶就从熔化物中慢慢被提起。生长过程开始于快速提拉 子晶，以便使生长过程初期中子晶内的晶缺陷降到最少。然后降低拖拉速度，使晶体的直径 增大。当达到所要求的直径时，生长条件就稳定下来以保持该直径。因为种子是慢慢浮出熔 化物的，种子和熔化物间的表面张力在子晶表面上形成一层薄的硅膜，然后冷却。冷却时，已熔化硅中的原子会按照子晶的晶体结构自

6、我定向。Ciystal Piillmg: CZ methodSingle Ciy&tal Silicaa SeedSiud.e Cn&talHeating Coili硅锭完全长大时，它的初始直径要比最终晶圆片要求的直径大一点。接下来硅锭被刻出 一个小豁口或一个小平面，以显示晶向。一旦通过检查，就将硅锭切割成晶圆片。由于硅很 硬，要用金刚石锯来准确切割晶圆片，以得到比要求尺寸要厚一些的晶片。金刚石锯也有助 于减少对晶圆片的损伤、厚度不均、弯曲以及翘曲缺陷。Ingot Polishing. Flat, oi NotchFlat. 150 uul nudNcrcli. 200 mm 泌 liuser

7、切片 用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来，这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢 片，圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。内圆刀片有硬度，但不用非常厚。这些因素减 少刀口（切割宽度）尺寸，也就减少一定数量的晶体被切割工艺所浪费。对于 300 毫米直 径的晶圆，使用线切割来保证小锥度的平整表面和最少量的刀口损失。Paiameteis of Silicon WSiO32+2H2，它是利用碱与硅的化学腐蚀反应 生成可溶性硅酸盐，再通过细小柔软、比表面积大、带有负电荷的SiO2胶粒的吸附作用及其与抛 光垫和片子间的机械摩擦作用，及时除去反应产物，从而达到去除晶片表面损伤层与沾污杂质的 抛光目的，这个化

8、学和机械共同作用的过程就是硅片CMP抛光的过程。化学机械抛光是业界发展 起来的制造大直径晶圆的技术之一。在晶圆制造工艺中，新层的建立会产生不平的表面，使 用CMP以平整晶体表面。在这个应用中，CMP被翻译成化学机械平坦化(Planarization)。Chemi Cell Mechanical PolishingPiessme1SlinryWafer Holder4 1 /J PolisliiiiE PadJ背处理在许多情况下，只是晶圆的正面经过充分的化学机械抛光，背面留下从粗糙或腐蚀到光 亮的外观。对于某些器件的使用，背面可能会受到特殊的处理导致晶体缺陷，叫做背损伤 背损伤产生位错的生长辐射

9、进入晶圆，这些位错起象是陷阱，俘获在制造工艺中引入的可移 动金属离子污染，这个俘获现象又叫做吸杂。背面喷沙是一种标准的技术，其它的方法包括 背面多晶层或氮化硅的淀积。边缘倒角和抛光 边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺。应用化学抛光进一步加工边缘，尽可能的减少制造 中的边缘崩边和损伤，边缘崩边和损伤能导致碎片或是成为位错线的核心。清洗 在半导体材料表面存留的杂质，从种类上可以分为有机杂质和无机杂质。对于有机杂质，通 常根据相似相溶原理，用甲苯、丙酮、酒精或更高级的合成洗涤剂来去除，这种方法配合上 兆声清洗，可以得到比较好的效果。对于无机杂质，一般为金属离子，通常利用碱性作用和 络合反应除去。常用

10、的清洗溶液为由双氧水、氨水、去离子水组成的I号清洗液和由双氧水、 盐酸、去离子水组成的II号清洗液，即产生于20世纪60年代的RCA湿法清洗技术。过氧化 氢在清洗中主要起到氧化作用，氧化有机和无机杂质，使低价化合物变为高价化合物，难溶 物质变为可溶物质。氨水在清洗中主要起到碱性作用和络合作用，它一方面提供碱性环境，使一些金属离子形成可脱落的沉淀，另一方面，氨分子作为良好的配位体，能够与多种金属 离子形成可溶性络合物。而过氧化氢在酸性环境下的标准电极电势要高于在碱性环境下的， 所以II号清洗液中的过氧化氢拥有更强的氧化能力，另外，盐酸的氯离子也具有络合作用。但是，传统的RCA方法一方面由于试剂的

11、不稳定性而存在环境污染的缺陷，另一方面由 于试剂的腐蚀性而加大了半导体表面的微观粗糙度，并引入了不稳定的清洗因素。基于此， 诸多单位对RCA法进行了改进。浙江大学叶志镇等人利用正交试验法优化了硅片清洗的工艺 参数。河北工业大学微电子研究所刘玉岭等人在清洗剂中引入表面活性剂，使表面吸附长期 处于易清洗的物理吸附状态，对控制粒子吸附起到了很大作用。张建新等人研究了硅片的电 化学清洗法，采用金刚石膜电极在专用水基清洗剂中不断产生具有强氧化性的过氧焦磷酸根 离子，有效地去除了硅片表面的有机沾污，并通过XPS法和AFM法证明了其清洗效果明显优 于传统的RCA法。需要根据用户指定的一些参数对晶圆(或样品)

12、进行检查。主要的考虑是表面 污染和雾。这些问题能够用强光或自动检查设备来检测出。200 linn Wafer Thickness and晶圆评估 在包装以前 问题如颗粒氧化晶圆在发货到客户之前可以进行氧化。氧化层用以保护晶圆表面，防止在运输过程中的划伤 和污染。许多公司从氧化开始晶圆制造工艺，购买有氧化层的晶圆就节省了一个生产步骤包装虽然花费了许多努力生产高质量和洁净的晶圆，但从包装方法本身来说，在运输到客户的过 程中，这些品质会丧失或变差。所以，对洁净的和保护性的包装有非常严格的要求。包装材 料是无静电、不产生颗粒的材料，并且设备和操作工要接地，放掉吸引小颗粒的静电。晶圆 包装要在洁净室里进

13、行。晶圆外延尽管起始晶圆的质量很高，但对于形成互补金属氧化物半导体(CMOS )器件而言还是不够 的，这些器件需要一层外延层。许多大晶圆供应商有能力在供货前对晶圆外延。抛光后，晶圆片要通过一系列清洗槽的清洗，这一过程是为去除表面颗粒、金属划痕和残留 物。之后，要经常进行背面擦洗以去除最小的颗粒。这些晶圆片经过清洗后，将他们按照最 终用户的要求分类，并在高强度灯光或激光扫描系统下检查，以便发现不必要的颗粒或其他缺陷。一旦通过一系列的严格检测，最终的晶圆片即被包装在片盒中并用胶带密封。然后把 它们放在真空封装的塑料箱子里，外部再用防护紧密的箱子封装，以确保离开超净间时没有任何颗粒和湿气进入片盒。 半导体或芯片是由硅生产出来的。晶圆片上刻蚀出数以百万计 的晶体管，这些晶体管比人的头发要细小上百倍。半导体通过控制电流来管理数据，形成各种文字、数字、声音、图象和色彩。它们被广泛用于集成电路，并间接被地球上的每个人使 用。这些应用有些是日常应用，如计算机、电信和电视，还有的应用于先进的微波传送、激光转换系统、医疗诊断和治疗设备、防御系统和NASA航天飞机。